(57)【要約】  直流電源６に並列に接続されたコンデンサ５と、複数の同期機１を駆動させる複数の電力変換器２と、電力変換器２の直流側に並列接続されたコンデンサ３と、コンデンサ５とコンデンサ３の間に直接に挿入したスイッチング回路４と、複数の電力変換器２の動作の開始を制御するスイッチ開始指令部１２と、モータ速度ωとコンデンサ３の電圧Ｖｃとに基づいて電力変換器２を制御する制御部９と、を備え、スイッチ開始指令部１２は、電力変換器２の停止中にはスイッチング回路４をオフし、電力変換器２の運転開始時には電力変換器２を同期機１の端子電圧が所定の値になるまでスイッチング回路４をオフして、同期機１の端子電圧が所定の値以下になるとスイッチング回路４をオンする電力変換装置。
2011118019.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の同期機に電力を供給する直流電源に並列に接続された第１のコンデンサと、
前記各同期機を駆動させる複数の電力変換器と、
前記電力変換器の直流側に並列接続された第２のコンデンサと、
前記第１のコンデンサと前記第２のコンデンサの間に直列に接続されるスイッチング回路と、
運転指令と、前記第２のコンデンサにて検出された電圧情報と、前記各同期機にて検出された電流情報とに基づいて、前記各電力変換器および前記スイッチング回路の動作を制御する第１の制御部と、
前記電圧情報と、前記各同期機にて検出されたモータ速度情報と、前記第１の制御部からの制御信号とに基づいて、前記各電力変換器を制御する第２の制御部と、
を備え、
前記第１の制御部は、前記各電力変換器が停止している間は前記スイッチング回路をオフ状態に制御し、前記運転指令がオンされたとき前記各電力変換器の動作を開始させる信号を出力し、前記電圧情報の値が所定の値以下となったとき前記スイッチング回路をオン状態に制御すること、
を特徴とする電力変換装置。
【請求項２】
前記第１の制御部は、前記運転指令がオフされたとき前記各電力変換器の動作を停止させる信号を出力することを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
【請求項３】
前記第１のコンデンサの電圧を検出する電圧検出器を備え、
前記第１の制御部は、前記各電力変換器が停止している間は前記スイッチング回路をオフ状態に制御し、前記運転指令がオンされたとき前記各電力変換器の動作を開始させる信号を出力し、前記第１のコンデンサにて検出された電圧情報の値が前記第２のコンデンサにて検出された電圧情報の値以下となったとき前記スイッチング回路をオン状態に制御することを特徴とする電力変換装置。
【請求項４】
前記スイッチング回路は、前記電力変換器を構成するスイッチング回路と同等であることを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
【請求項５】
前記第２のコンデンサの容量は、前記第１のコンデンサの容量の１００分の１以上１０分の１以下であることを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
【請求項６】
前記第１の制御部は、鉄道車両に適用されていることを特徴とする請求項３に記載の電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、鉄道車両もしくは電気自動車を含む電気車に用いられる複数の同期機を駆動する電力変換装置に関するものであり、特に、同期機の高速回転時の無負荷誘起電圧が直流電源電圧より高い場合に対応可能な電力変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車や電車では、駆動システムによる加速、減速を行なわずに惰性で走行（惰行）することが運転モードの特徴である。同期機を使用する駆動システムでは、このような惰行の場合に、無負荷誘起電圧が発生し、この無負荷誘起電圧が電力変換器を構成するスイッチング素子に逆並列接続されたダイオードを介して全波整流され、直流電圧（コンデンサの端子間電圧）が上昇する。そのため、全波整流された電力は電源側に回生され、駆動システム全体としてブレーキ動作を行なうことになる。【０００３】
このようなブレーキ動作を回避する手段として、下記特許文献１に示される電力変換装置は、以下のように構成されている。すなわち、当該電力変換装置は、インバータの電源とインバータアーム間に、一方向導通手段および開閉手段の並列接続回路を直列に挿入し、インバータの停止中には開閉手段を開放し、インバータの運転開始時には開閉手段を開放したままで、同期機の端子電圧が所定値になるように励磁電流を制御する。また、当該電力変換装置は、同期機の端子電圧が所定値に達したとき、開閉手段を閉とした状態で同期機のトルク電流を制御して同期機を加減速運転する。また、当該電力変換装置は、運転中のインバータを停止するとき、同期機の端子電圧が所定値になるように励磁電流を制御したままでトルク電流をゼロに減少させた後、開閉手段を開放して、励磁電流を減少させてインバータの運転を停止させる。【０００４】
また、下記特許文献２には、同期機を複数台駆動する電力変換装置に関する主回路構成が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０００−３０８３８８号公報（請求項１、第１図）
【特許文献２】特開２００８−８６０７７号公報（「００９３」、第１４図）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記特許文献１に示される従来技術は、インバータの電源とインバータアームとの間に、一方向導通手段および開閉手段の並列接続回路を直列に接続する態様であるが、開閉手段を使用しているため、電力変換装置が大型化するという課題があった。特に、電力変換装置を電気車に採用する場合、複数の同期機を使用して電気車を駆動することが一般的である。従って、同期機を複数台駆動するためには、電力変換器も同期機と同じ数だけ必要であり、複数の同期機を駆動可能な電力変換装置を、できる限り小型化して実現するには、上述した開閉手段が電力変換装置の小型化の妨げになるという課題があった。また、電力変換器の近くに接続させるコンデンサについても複数台の同期機に合わせて配置することを検討しなければならず、コンデンサのサイズが大きくなるため、電力変換装置の更なる小型軽量化を図ることが困難という課題があった。また、上記特許文献１には、複数の同期機を駆動させる構成が開示されていない。【０００７】
一方、上記特許文献２には、複数台の同期機を駆動させる主回路構成が開示されている。ただし、この主回路構成によって、同期機から発生した無負荷誘起電圧が直流電圧（直流電源の両端電圧に相当）より高い領域で同期機を駆動させた場合、上述したように、無負荷誘起電圧は、電力変換器を構成するスイッチング素子に逆並列接続されたダイオードを介して全波整流される。従って、直流電圧が上昇するため、全波整流された電力が直流電源側に回生され、上述したブレーキ動作が生じるという課題があった。また、複数の同期機の回転周波数が異なる場合、各同期機が発生する無負荷誘起電圧の大きさが異なるため、無負荷誘起電圧の大きさを考慮した適切な制御が実行されなければ、上述したブレーキ動作が生じてしまう。上記特許文献２には、無負荷誘起電圧の大きさが異なる場合における制御が開示されていないため、ブレーキ動作が生じる場合があるという課題があった。【０００８】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、複数の同期機の無負荷誘起電圧によるブレーキ動作を抑制できる電力変換装置を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、複数の同期機に電力を供給する直流電源に並列に接続された第１のコンデンサと、前記各同期機を駆動させる複数の電力変換器と、前記電力変換器の直流側に並列接続された第２のコンデンサと、前記第１のコンデンサと前記第２のコンデンサの間に直列に接続されるスイッチング回路と、運転指令と、前記第２のコンデンサにて検出された電圧情報と、前記各同期機にて検出された電流情報とに基づいて、前記各電力変換器および前記スイッチング回路の動作を制御する第１の制御部と、前記電圧情報と、前記各同期機にて検出されたモータ速度情報と、前記第１の制御部からの制御信号とに基づいて、前記各電力変換器を制御する第２の制御部と、を備え、前記第１の制御部は、前記各電力変換器が停止している間は前記スイッチング回路をオフ状態に制御し、前記運転指令がオンされたとき前記各電力変換器の動作を開始させる信号を出力し、前記電圧情報の値が所定の値以下となったとき前記スイッチング回路をオン状態に制御すること、を特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
この発明によれば、複数の電力変換器の動作の開始を制御するスイッチ開始指令部を備えるようにしたので、複数の同期機の無負荷誘起電圧によるブレーキ動作を抑制することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】図１は、本発明の実施の形態１による電力変換装置の構成図である。
【図２】図２は、同期機のモータ電圧と無負荷誘起電圧の関係を示す図である。
【図３】図３は、図１に示される電力変換装置の動作を説明するための図である。
【図４】図４は、図１に示されるスイッチ開始指令部の構成図である。
【図５】図５は、本発明の実施の形態２による電力変換装置の構成図である。
【図６】図６は、図５に示されるスイッチ開始指令部の構成図である。
【図７】図７は、図５に示される電力変換装置の動作を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下に、本発明にかかる電力変換装置の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
【００１３】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１による電力変換装置の構成図であり、図２は、同期機のモータ電圧と無負荷誘起電圧の関係を示す図であり、図３は、図１に示される電力変換装置の動作を説明するための図であり、図４は、図１に示されるスイッチ開始指令部の構成図である。
【００１４】
図１において、本実施の形態にかかる電力変換装置は、主たる構成として、直流電源６に並列に接続されたコンデンサ（第１のコンデンサ）５と、２つの同期機１ａ、１ｂを駆動させる電力変換器２ａ、２ｂと、電力変換器２の直流側に並列に接続されたコンデンサ（第２のコンデンサ）３と、コンデンサ３とコンデンサ５との間に直列に接続されたスイッチング回路４と、コンデンサ３の電圧を検出する電圧検出器８と、スイッチ開始指令部（第１の制御部）１２と、電力変換器２ａ、２ｂを制御する制御部（第２の制御部）９ａ、９ｂと、を有して構成されている。
【００１５】
制御部９ａ、９ｂは、ｄｑ軸電流指令演算部１０ａ、１０ｂと、電圧指令演算部１１ａ、１１ｂと、を有して構成されている。ｄｑ軸電流指令演算部１０ａ、１０ｂは、同期機１ａ、１ｂの速度を検出する速度情報検出器７ａ、７ｂからのモータ速度（モータ速度情報）ω１、ω２を入力として、ｄｑ軸電流指令を演算する。電圧指令演算部１１ａ、１１ｂは、ｄｑ軸電流指令演算部１０ａ、１０ｂで演算されたｄｑ軸電流指令ｉｄ＊、ｉｑ＊と、モータ速度ω１、ω２と、スイッチ開始指令部１２からの制御信号とに基づいて、電力変換器２ａ、２ｂを制御する電圧指令を演算する。
【００１６】
スイッチ開始指令部１２は、力行指令もしくはブレーキ指令を示す運転指令と、電流検出器１３ａによって検出された電流（電流情報）ｉｕ１（以下単に「電流ｉｕ１」と称する）と、電流検出器１３ｂによって検出された電流（電流情報）ｉｕ２（以下単に「電流ｉｕ２」と称する）と、電圧検出器８で検出されたコンデンサ３の電圧（電圧情報）Ｖｃとに基づいて、スイッチング回路４のオン・オフ動作を制御するスタート信号ＧＳＴＤを生成するとともに、電力変換器２ａ、２ｂの動作開始および動作停止を制御するインバータスタート信号ＧＳＴＩを生成する。
【００１７】
スイッチング回路４は、スイッチング素子と、当該スイッチング素子に逆並列接続されたダイオードとで構成されている。例えば、同期機１ａ、１ｂの加速運転を行なう場合、当該逆並列ダイオードは、直流電源６側から電力変換器２に電力を供給する方向に導通する。
【００１８】
電力変換器２ａ、２ｂは、スイッチング回路Ｇｕ、Ｇｖ、Ｇｗ、Ｇｘ、Ｇｙ、Ｇｚを有して構成されている。具体的には、電力変換器２ａ、２ｂは、正側アームの３つのスイッチング素子と、負側アームの３つのスイッチング素子とのブリッジ回路で構成される。それぞれのスイッチング素子には、逆並列ダイオードが接続されている。そして、それぞれの相の上アーム素子と下アーム素子との接続点が三相の出力端を構成し、それぞれの出力端にＵ相結線、Ｖ相結線、Ｗ相結線が接続される。Ｕ相結線、Ｖ相結線、およびＷ相結線は、同期機１に接続されている。電力変換器２ａ、２ｂは、この構成によって、制御部９ａ、９ｂからのゲート信号に従って各スイッチング素子がオン・オフ動作することで、入力される直流電圧を任意周波数の三相交流電圧に変換して同期機１を駆動する。
【００１９】
実施の形態１にかかる同期機１ａ、１ｂは、回転子に取り付けられた永久磁石により界磁を作る永久磁石同期機としている。永久磁石同期機の場合、永久磁石による磁束が一定であるため、同期機単体の特性としては、磁束密度と同期機１の回転速度との積に比例した誘起電圧を発生する。これを無負荷誘起電圧といい、図２に点線で示すような特性を持つ。これに対して、電力変換器２ａ、２ｂは、入力の直流電源６の直流電圧以上の電圧を発生することはできないため、無負荷誘起電圧が電力変換器２ａ、２ｂの最大出力電圧を越える領域では、永久磁石による磁束を打ち消すような磁束を電機子巻線で発生させる、いわゆる弱め界磁制御を行い高速までの運転を行なっている。電気車には、上述したように「惰行」という運転モードがあり、このような惰行の際、永久磁石同期機を使用する場合、電力変換装置には無負荷誘起電圧が発生する。この無負荷誘起電圧が電力変換器２ａ、２ｂの直流電圧（コンデンサ５の両端電圧に相当）よりも大きな領域では、無負荷誘起電圧が、電力変換器を構成するスイッチング回路Ｇｕ、Ｇｖ、Ｇｗ、Ｇｘ、Ｇｙ、Ｇｚに逆並列接続されたダイオードを介して全波整流される。直流電圧が上昇するため、全波整流された電力は、直流電源６側に回生され、駆動システム全体としてブレーキ動作を行なうことになる。
【００２０】
また、電気車が惰行中に、弱め界磁制御のために励磁電流を流すべく、電力変換装置が運転した場合、永久磁石同期機の巻線に電流を流すことにより生じる銅損や、電力変換器２ａ、２ｂの損失が発生する。このような損失は、省エネルギーの観点から好ましくない。特に、エネルギー効率が最重要課題の電気自動車では、致命的な課題である。
【００２１】
そこで、実施の形態１では、図１に示すように、電力変換器２ａ、２ｂとコンデンサ５との間にスイッチング回路４を挿入し、電力変換器２ａ、２ｂを介して同期機１ａ、１ｂを駆動する。なお、実施の形態１において、スイッチング回路４は、ＩＧＢＴ等のスイッチング素子と、このスイッチング素子に逆並列に接続されるダイオード等の一方向導通素子とで構成される。このスイッチング回路４は、電力変換器２ａ、２ｂを構成するスイッチング回路Ｇｕ、Ｇｖ、Ｇｗ、Ｇｘ、Ｇｙ、Ｇｚと同じものを使用可能であり、そのことにより主回路の製造コストを低減可能である。
【００２２】
スイッチング回路４は、例えば、電力変換器２ａ、２ｂが加速運転を行なう場合、直流電源６から電力変換器２に電力を供給するためオンとなる。
【００２３】
また、電力変換器２ａ、２ｂが動作を停止している場合において、同期機１ａ、１ｂが発生する無負荷誘起電圧がコンデンサ３の電圧より大きいとき、スイッチング回路４のスイッチング素子はスイッチ開始指令部１２によりオフされ、コンデンサ３がピーク充電される。すなわち、「惰行」の際、同期機１ａ、１ｂから無負荷誘起電圧が電力変換器２ａ、２ｂを構成する逆並列ダイオードを介して全波整流され、整流された電力がコンデンサ３に充電される。ただし、このコンデンサ３の容量を適切に選択することにより、コンデンサ３が即座に充電され、システム全体としてブレーキ動作になることはない。また、コンデンサ３の容量を適切に選択することにより、同期機１ａと同期機１ｂが異なる回転周波数で回転している場合、回転周波数が高い同期機の無負荷誘起電圧のピーク値になるようにコンデンサ３が充電される。
【００２４】
また、スイッチング回路４のスイッチング素子がオフ状態の場合、電力変換器２ａ、２ｂ側から直流電源６側へという方向の電力の流れがスイッチング回路４によって遮断される。そのため、惰行時に同期機１ａ、１ｂで発生する無負荷誘起電圧が直流電源６側に回生されることによって生じる不要なブレーキ力の発生とそれに伴う電力の損失とを防ぐことができる。さらに、直流電源６の電圧が通常の電源電圧以上に上昇することを防ぐことができる。
【００２５】
スイッチ開始指令部１２は、上述したように、運転指令に基づいてスイッチング回路４および電力変換器２ａ、２ｂの動作を制御するものであり、例えば、運転指令がオンされた場合（図３の時刻ｔ４を参照）、電流ｉｕ１、ｉｕ２が０であるとき、電力変換器２ａ、２ｂをゲートオン、つまり電力変換器２ａ、２ｂの動作を開始させてからスイッチング回路４をオンさせるように指令を出力する。すなわち、スイッチ開始指令部１２は、運転指令がオンであり、かつ、電流ｉｕ１、ｉｕ２が０であるとき、インバータスタート信号ＧＳＴＩをオンし、その後にスタート信号ＧＳＴＤをオンする。
【００２６】
また、運転指令がオフされた場合（図３の時刻ｔ１を参照）、スイッチ開始指令部１２は、運転指令がオフされた同時に、スイッチング回路４および電力変換器２の動作を停止するように指令を出力する。すなわち、スイッチ開始指令部１２は、運転指令がオフされた場合、インバータスタート信号ＧＳＴＩおよびスタート信号ＧＳＴＤをオフする。
【００２７】
特に、運転指令がオンされた場合（図３の時刻ｔ４を参照）にて、スイッチ開始指令部１２から出力されるインバータスタート信号ＧＳＴＩがオンとなるので、同期機１ａ、１ｂに印加される電圧を瞬時に制御する必要がある。すなわち、モータに印加される電圧が電源電圧Ｖｄｃを越えることで生じるブレーキトルクが発生しないように、ｄｑ軸電流指令を制御する必要がある。本実施の形態にかかる電力変換装置では、その制御を、制御部９ａ、９ｂのｄｑ軸電流指令演算手段１０ａ、１０ｂで実行する。
【００２８】
以下、その運転指令がオンとなった直後におけるｄｑ軸電流指令演算部１０ａ、１０ｂの制御を説明する。
【００２９】
ｄｑ座標上で表した永久磁石同期機の電圧方程式と、永久磁石同期機のトルクは、（１）、（２）式で与えられる。
【００３０】
【数１】
2011118019.tif 000003
【数２】
2011118019.tif 000004
【００３１】
永久磁石同期機に供給できる端子電圧｜Ｖｍ｜は、線間電圧実効値に相当し、コンデンサ３の電圧をＶｃとすると、（３）式のように制限される。なお、線間電圧は、図１に示される同期機１ａ、１ｂのＵ相−Ｖ相間、Ｖ相−Ｗ相間、またはＷ相−Ｕ相間の何れかの線間電圧を示す。
【００３２】
【数３】
2011118019.tif 000005
【００３３】
なお、線間電圧のピーク値Ｖｍｐとコンデンサ３の電圧Ｖｃとの間には、（４）式の関係が成り立つ。
【００３４】
【数４】
2011118019.tif 000006
【００３５】
高電圧の永久磁石同期機では、高速域においては電力変換器２ａ、２ｂの直流母線電圧（電源電圧Ｖｄｃ）以内に抑えるようにｄ軸電流を流し、ｄ軸電機子反作用による減磁作用を利用した等価的な弱め界磁制御が行われる。高速域における電力変換器２ａ、２ｂの再起動時には、電力変換器２ａ、２ｂの起動直後から弱め界磁制御を行って起動する必要があるため、上記（３）式の電圧制限条件を用いてｄ軸電流指令を演算する。ここで、（３）式を簡素化するために、（５）および（６）式のようにする。
【００３６】
【数５】
2011118019.tif 000007
【００３７】
ただし、（５）式のＶｄ０、Ｖｑ０は、（１）式より微分項を無視する。さらに、弱め界磁制御を行って電力変換器２ａ、２ｂが再起動するのは高速域であるため、ωＬが十分に大きいと考えられる。従って、（５）式のＶｄ０、Ｖｑ０は、電機子抵抗ドロップ分も無視して（６）式とする。
【００３８】
【数６】
2011118019.tif 000008
【００３９】
（５）、（６）式より、弱め界磁制御に用いられるｄ軸電流の条件は、（７）式となる。
【００４０】
【数７】
2011118019.tif 000009
【００４１】
電力変換器２ａ、２ｂの再起動時にトルクが発生しないようにするためには、上記（２）式よりｉｑ＝０とすればよい。従って、上記（７）式にｉｑ＝０を入力すると（８）式となる。ただし、Ｌｄ、Ｌｑ：ｄ、ｑ軸インダクタンス、φａ＝√3/2*φf、φf：永久磁石による電機子鎖交磁束の最大値とする。
【００４２】
【数８】
2011118019.tif 000010
【００４３】
すなわち、（８）式によって、電力変換器２が再起動する際にトルクが発生しないようにすることで、線間電圧をコンデンサ３の電圧Ｖｃ以下に抑制可能である。そこで、電圧指令演算部１１ａは、（８）式より、コンデンサ３の電圧Ｖｃと、モータ速度ω１、ω２とに基づいて、コンデンサ３の電圧Ｖｃおよび同期機１の線間電圧を瞬時に所望の値（ここでは、一例として１６００Ｖ）以下にできるｄ軸電流指令ｉｄ＊を演算する。つまり、（７）式のｉｄからｉｄ＊への置き換えを行なう。
【００４４】
なお、本実施の形態にかかる電圧指令演算部１１ａ、１１ｂには、ｉｑ＊＝０とし、（８）式を用いて演算されたｉｄ＊と、速度情報検出器７ａ、７ｂで検出されたモータ速度ω１、ω２と、コンデンサ３の電圧Ｖｃとが入力される。電圧指令演算部１１ａ、１１ｂは、公知の通り、三相電圧あるいは三相電流を回転直交二軸へ座標変換をするときに制御座標軸が必要となるが、任意のモータ速度ω１、ω２に基づいて回転二軸座標である制御座標軸の位相θを演算する。この位相θは、（９）式に示すように、モータ速度ω１、ω２を積分することにより得られる。
【００４５】
【数９】
2011118019.tif 000011
【００４６】
また、電圧指令演算部１１ａ、１１ｂは、（１０）式よりｄｑ軸電圧指令Ｖｄ＊、Ｖｑ＊を演算する。なお、ｉｑ＊＝０とすることでトルクが発生しないようすることができる。
【００４７】
【数１０】
2011118019.tif 000012
【００４８】
電圧指令演算部１１ａ、１１ｂは、（１１）式より三相電圧指令の電圧位相θｖを演算する。すなわち、位相角θにｄｑ軸電圧指令Ｖｄ＊、Ｖｑ＊の位相角を加えて、三相電圧指令の電圧位相θｖを演算する。
【００４９】
【数１１】
2011118019.tif 000013
【００５０】
電圧指令演算部１１ａ、１１ｂは、（１２）式より、コンデンサ３の電圧Ｖｃに基づいて変調率ＰＭＦを演算する。
【００５１】
【数１２】
2011118019.tif 000014
【００５２】
電圧指令演算部１１ａ、１１ｂは、（９）、（１１）、（１２）式の値を用いて、Ｕ相電圧指令Ｖｕ＊、Ｖ相電圧指令Ｖｖ*、およびＷ相電圧指令Ｖｗ*を（１３）式で演算する。
【００５３】
【数１３】
2011118019.tif 000015
【００５４】
電圧指令演算部１１ａ、１１ｂは、電力変換器２ａ、２ｂがパルス幅制御を行うことができるように、三相電圧指令Ｖｕ＊、Ｖｖ＊、Ｖｗ＊に基づくゲート信号を演算して電力変換器２ａ、２ｂに出力する。
【００５５】
本実施の形態にかかる電力変換装置によれば、惰行中に運転指令がオンされた場合であっても、線間電圧が電源電圧Ｖｄｃを超えない所望の値（１６００Ｖ）に制限されるため、線間電圧が電源電圧Ｖｄｃを超えることで生じる不要なトルクが抑制される。
【００５６】
以下、本実施の形態にかかる電力変換装置の特徴部分の一つであるスイッチ開始指令部１２の構成を説明する。
【００５７】
図４において、スイッチ開始指令部１２は、コンデンサ３の電圧Ｖｃと、運転指令と、電流ｉｕ１と、電流ｉｕ２とを入力とし、コンデンサ３の電圧Ｖｃと運転指令とに応じてスタート信号ＧＳＴＤを出力すると共に、運転指令と電流ｉｕ１、ｉｕ２とに応じてインバータスタート信号ＧＳＴＩを出力する。
【００５８】
スイッチ開始指令部１２は、主たる構成として、比較部１５と、論理積部１６ａと、電流実効値演算部１９と、イコール比較部１４ａ、１４ｂと、論理積部１６ｂと、を有して構成されている。また、電流実効値演算部１９は、絶対値処理部（ＡＢＳ）１７ａ、１７ｂと、一次遅れ部１８ａ、１８ｂと、を有して構成されている。
【００５９】
コンデンサ３の電圧Ｖｃは、比較部１５に入力され、比較部１５は、コンデンサ３の電圧Ｖｃと所定の値（上述した１６００Ｖ）とを比較し、コンデンサ３の電圧Ｖｃが所定の値より低くなったとき「１」を出力し、それ以外では０を出力する。論理積部１６ａは、比較部１５からの出力と運転指令とを取り込み、比較部１５からの出力値が「１」であり、かつ、運転指令が「１」（オン）のときに、スイッチング回路４をオンさせるスタート信号ＧＳＴＤ「１」を出力する。また、論理積部１６ａは、運転指令が「０」（オフ）のとき、スイッチング回路４をオフさせるスタート信号ＧＳＴＤ「０」を出力する。
【００６０】
電流ｉｕ１は、絶対値処理部１７ａに入力され、絶対値処理部１７ａは、電流ｉｕ１の絶対値処理を行う。一次遅れ部１８ａは、絶対値処理部１７ａから出力された電流ｉｕ１の絶対値を取り込み、一次遅れによるフィルタ効果で電流ｉｕ１の実効値（直流量）を演算する。電流ｉｕ２は、絶対値処理部１７ｂに入力され、絶対値処理部１７ｂは、電流ｉｕ２の絶対値処理を行う。一次遅れ部１８ｂは、絶対値処理部１７ｂから出力された電流ｉｕ２の絶対値を取り込み、一次遅れによるフィルタ効果で電流ｉｕ２の実効値（直流量）を演算する。イコール比較部１４ａは、一次遅れ部１８ａから出力された電流ｉｕ１の実効値と閾値「０」とを比較し、電流ｉｕ１の実効値が「０」の場合、電流ｉｕ１の実効値が閾値「０」と等しいことを示す「１」を出力し、電流ｉｕ１の実効値が「０」以外の場合、電流ｉｕ１の実効値が閾値「０」より大きいことを示す「１」を出力する。同様に、イコール比較部１４ｂは、一次遅れ部１８ｂから出力された電流ｉｕ２の実効値と閾値「０」とを比較し、電流ｉｕ２の実効値が「０」の場合、電流ｉｕ２の実効値が閾値「０」と等しいことを示す「１」を出力し、電流ｉｕ２の実効値が「０」以外の場合、電流ｉｕ２の実効値が閾値「０」より大きいことを示す「１」を出力する。
【００６１】
運転指令と、イコール比較部１４ａの出力信号と、イコール比較部１４ｂの出力信号とは、論理積部１６ｂに入力され、論理積部１６ｂは、これら全ての信号が「１」（運転指令はオン）の場合、電力変換器２のスタート許可を示す「１」をインバータスタート信号ＧＳＴＩオンとして出力する。また、論理積部１６ｂは、それら全ての信号が「１」ではない場合、電力変換器２のスタート不許可を示す「０」をインバータスタート信号ＧＳＴＩオフとして出力する。
【００６２】
図３を用いて本実施の形態にかかる電力変換装置の主な動作を説明する。なお、図３では、一例として、時刻ｔ１まではブレーキ指令が出力されている状態とし、時刻ｔ２からｔ４までは惰行状態とし、時刻ｔ４以降は力行指令が出力されている状態として説明する。また、図３に示される（ａ）は、運転指令のオン・オフ状態を示し、（ｂ）は、スタート信号ＧＳＴＤのオン・オフ状態を示し、（ｃ）（ｄ）は、インバータスタート信号ＧＳＴＩのオン・オフ状態を示す。（ｅ）は、コンデンサ５の電圧Ｅｆｃ１と、コンデンサ３の電圧Ｖｃと、同期機１ａの線間電圧のピーク値Ｖｍｐ１ａと、同期機１ｂの線間電圧のピーク値Ｖｍｐ１ｂとのオン・オフ状態を示す。（ｆ）は、電流ｉｕ１の状態を示し、（ｇ）は、電流ｉｕ２の状態を示す。
【００６３】
時刻ｔ１において、運転指令（ａ）がオフされたとき、論理積部１６ａからのスタート信号ＧＳＴＤ（ｂ）がオフとなるので、スイッチング回路４がオフとなる。また、運転指令（ａ）がオフされたとき、論理積部１６ｂからのインバータスタート信号ＧＳＴＩ（ｃ）、（ｄ）がオフとなるので、電力変換器２ａ、２ｂがゲートオフとなる。なお、時刻ｔ１までの電流ｉｕ１（ｆ）、ｉｕ２（ｇ）は、電源電圧Ｖｄｃ側に回生されマイナスの値となる。
【００６４】
時刻ｔ１からｔ２において、惰行によって、同期機１ａの無負荷誘起電圧と、惰行時の同期機１ｂの無負荷誘起電圧とが共に上昇する。ただし、電力変換器２ａ、２ｂがゲートオフした際、同期機１ａのモータ周波数と同期機１ｂのモータ周波数とが異なるため、（ｅ）に示すように、同期機１ａの無負荷誘起電圧の大きさと同期機１ｂの無負荷誘起電圧の大きさとが異なることとなる。図３には、一例として、同期機１ａのモータ周波数が同期機１ｂのモータ周波数よりも高い場合の例が示され、同期機１ｂの無負荷誘起電圧が時刻ｔ２でピークとなるのに対して、同期機１ａの無負荷誘起電圧は時刻ｔ３でピークとなる。そのため、電圧同期機１ａの線間電圧のピーク値Ｖｍｐ１ａが無負荷誘起電圧となり、コンデンサ３の電圧Ｖｃは、この無負荷誘起電圧の上昇に伴って増加する。なお、同期機１ｂの線間電圧のピーク値Ｖｍｐ１ｂは、コンデンサ３の電圧Ｖｃよりも低い値となる。
【００６５】
また、時刻ｔ１からｔ２では、無負荷誘起電圧の上昇によって電流ｉｕ１（ｆ）、ｉｕ２（ｇ）が流れ続け、時刻ｔ２からｔ３では、電流ｉｕ１（ｆ）が流れ続ける。このような惰行による電流ｉｕ１、ｉｕ２が流れている間に、電力変換器２ａ、２ｂが動作を開始した場合、電力変換器２ａ、２ｂに大きなモータ電流が流れるため、過電流によって電力変換器２ａ、２ｂが故障する可能性がある。
【００６６】
本実施の形態にかかるスイッチ開始指令部１２は、惰行による電流ｉｕ１、ｉｕ２が流れている間、電力変換器２ａ、２ｂがゲートオフするように構成されている。従って、惰行時の電流ｉｕ１、ｉｕ２によって、電力変換器２ａ、２ｂが故障することを防止可能である。なお、コンデンサ５の電圧Ｅｆｃ１は、図３（ｅ）に示すように、スイッチング回路４がオフしているので上昇しない。
【００６７】
次に、時刻ｔ４において、運転指令（ａ）がオンされたとき、論理積部１６ｂからのインバータスタート信号ＧＳＴＩ（ｃ）、（ｄ）がオンとなるので、電力変換器２ａ、２ｂがゲートオンとなる。電力変換器２ａ、２ｂが動作を開始することにより、コンデンサ３の電圧Ｖｃおよび同期機１の線間電圧は、瞬時に所望の値（１６００Ｖ）にまで低下する。コンデンサ３の電圧Ｖｃおよび同期機１の線間電圧が所望の値（１６００Ｖ）以下になったとき（すなわち時刻ｔ５の時点で）、論理積部１６ａからのスタート信号ＧＳＴＤ（ｂ）がオンとなる。その結果、電源６と電力変換器２ａ、２ｂとが接続され、同期機１ａ、１ｂの加減速運転が可能となる。
【００６８】
なお、運転指令（ａ）がオフされ惰行を開始するときに、スイッチ開始指令部１２がスイッチング回路４をオフして、同期機１ａ、１ｂの無負荷誘起電圧分のエネルギーをコンデンサ３に吸収させることによって、図３（ｅ）に示すように、同期機１ａの線間電圧のピーク値Ｖｍｐ１ａとコンデンサ３の電圧Ｖｃとがバランスする。
本発明の特徴でもあるコンデンサ３の容量は、以下の通り決定することができる。
例えば、同期機１の無負荷誘起電圧が最大１８００Ｖであり、惰行直後のコンデンサ３の初期電圧が１５００Ｖである場合、コンデンサ３の電圧上昇分は、３００Ｖとなる。
コンデンサ３の電圧上昇分は、コンデンサ３に流れ込む電流ｉｄｃの関係により（１４）式で表すことができる。ただし、コンデンサ３の容量をＣとする。なお、コンデンサ３の電位と電流ｉｄｃの流れる方向との関係は、図１に示す矢印のようになる。
【００６９】
【数１４】
2011118019.tif 000016
【００７０】
（１４）式より、コンデンサ３に流れ込む電流ｉｄｃは、（１５）式で表すことができる。
【００７１】
【数１５】
2011118019.tif 000017
【００７２】
また、同期機１の無負荷誘起電圧とコンデンサ３の電圧Ｖｃとがバランスするときに発生する平均トルクをＴとし、そのトルクＴによるエネルギーをＰとし、回転角周波数ω（機械角）と定義した場合、エネルギーＰは、（１６）式で表すことができる。
【００７３】
【数１６】
2011118019.tif 000018
【００７４】
また、エネルギーＰは、コンデンサ３の電圧Ｖｃとコンデンサ３に流れ込む電流ｉｄｃとの関係より、（１７）式で表すことができる。
【００７５】
【数１７】
2011118019.tif 000019
【００７６】
（１５）〜（１７）式より、同期機１の無負荷誘起電圧とコンデンサ３の電圧Ｖｃとがバランスするときに発生するトルクＴは、（１８）式で表すことができる。
【００７７】
【数１８】
2011118019.tif 000020
【００７８】
（１８）式より、コンデンサ３の容量Ｃは、（１９）式で表すことができる。
【００７９】
【数１９】
2011118019.tif 000021
【００８０】
（１９）式のそれぞれのパラメータに以下の値を代入すればコンデンサ３の容量Ｃを決定できる。電気車の代表的な定数を用いて、具体的なコンデンサ３の容量Ｃについて考えてみる。例えば、ω＝２７０×（２π／３）[rad/sec］、Ｖｃ＝１８００[V]とする。また、Ｔは、ｄｔ＝０．１[sec]間に許容できる発生トルクと考え、Ｔ＝−０．１[Nm]以下とし、時間はｄｔ＝０．１[sec]とする。上記パラメータを（１９）式に代入すると、コンデンサ３の容量Ｃは、（２０）式で表すことができる。
【００８１】
【数２０】
2011118019.tif 000022
【００８２】
以上より、図１のコンデンサ３の容量Ｃは、１０.４７１μＦ以上であればよいことがわかる。なお、コンデンサ５の容量は、電気車の場合、１５００μＦ〜３０００μＦ程度である。
このように、コンデンサ３の容量Ｃは、コンデンサ５に比べて小さい容量でよく、例えば、コンデンサ５の容量の１００分の１以上１０分の１以下であればよいことを発明者は発見した。すなわち、コンデンサ３の容量Ｃについては、以下の関係が成り立つことを発見した。
コンデンサ５の容量×１／１００≦コンデンサ３の容量Ｃ≦コンデンサ５の容量×１／１０
なお、コンデンサ３の容量Ｃを、コンデンサ５の容量×１／１０以下にすることにより、電力変換装置を小型化することが可能である。
【００８３】
以上説明したように、本実施の形態にかかる電力変換装置は、各電力変換器２が停止している間はスイッチング回路４をオフ状態に制御し、運転指令がオンされたとき各電力変換器２の動作を開始させる信号を出力し、同期機１の端子電圧の値が所定の値以下となったときスイッチング回路４をオン状態に制御するスイッチ開始指令部１２を備えるようにしたので、複数の同期機１ａ、１ｂの無負荷誘起電圧の大きさが異なるような状況下で運転指令がオンされてもブレーキ動作が生じることなく惰行から加減速運転に移行させることが可能である。
【００８４】
また、スイッチ開始指令部１２は、運転指令がオフされ、同期機１と電力変換器２の間の電流が流れている状態では各電力変換器の動作を停止させる信号（インバータスタート信号ＧＳＴＩオフ））を出力するように構成されているので、惰行による電流ｉｕ１、ｉｕ２が流れている間は電力変換器２がゲートオフされ、その結果、過電流による電力変換器２の故障を防止することが可能である。
【００８５】
また、本実施の形態によれば、電力変換器２とスイッチング回路４との間に接続されたコンデンサ３が小型化されるため、複数の同期機を駆動可能であり、かつ、従来に比して小型軽量な電力変換装置を提供することが可能である。
【００８６】
実施の形態２．
図５は、本発明の実施の形態２による電力変換装置の構成図であり、図６は、図５に示されるスイッチ開始指令部の構成図であり、図７は、図５に示される電力変換装置の動作を説明するための図である。以下、実施の形態１と同一部分には同一符号を付してその説明を省略し、ここでは異なる部分についてのみ述べる。
【００８７】
図５において、実施の形態２にかかる電気車の電力変換装置は、主たる構成として、直流電源に並列に接続されたコンデンサ（第１のコンデンサ）５と、２つの同期機１ａ、１ｂを駆動させる電力変換器２ａ、２ｂと、電力変換器２の直流側に並列に接続されたコンデンサ（第２のコンデンサ）３と、コンデンサ３とコンデンサ５との間に直列に接続されたスイッチング回路４と、コンデンサ３の電圧を検出する電圧検出器８と、コンデンサ５の電圧Ｅｆｃ１を検出する電圧検出器２１と、スイッチ開始指令部（第１の制御部）２０と、電力変換器２ａ、２ｂを制御する制御部９ａ、９ｂ（第２の制御部）と、を有して構成されている。実施の形態１と異なる点は、スイッチ開始指令部の構成と、電圧検出器２１が設置されている点である。電圧検出器２１で検出されたコンデンサ５の電圧Ｅｆｃ１は、スイッチ開始指令部２０に入力される。図示しない変電所からの電流は、架線２３からパンタグラフ２２を介して電力変換器２ａ、２ｂに入力され、電力変換器２ａ、２ｂを経由して車輪２４を通じて変電所に戻される。
【００８８】
パンタグラフ２２を介して架線２３から電車に供給される直流電圧（Ｖｄｃ）は、様々な条件下で上昇と下降を繰り返す。従って、電車に搭載される電力変換装置には、直流電圧の変動にも対応するものが要求される。本実施の形態にかかる電力変換装置は、このように直流電圧の変動が激しい架線に対応可能に構成されている。
【００８９】
以下、図６を用いて、スイッチ開始指令部２０の構成を説明する。スイッチ開始指令部２０は、比較部２５と、論理積部１６ａと、電流実効値演算部１９と、イコール比較部１４ａ、１４ｂと、論理積部１６ｂと、を有して構成されている。
【００９０】
コンデンサ３の電圧Ｖｃとコンデンサ５の電圧Ｅｆｃ１は、比較部２５に入力され、比較部２５は、コンデンサ３の電圧Ｖｃとコンデンサ５の電圧Ｅｆｃ１とを比較し、コンデンサ３の電圧Ｖｃがコンデンサ５の電圧Ｅｆｃ１より低くなったとき「１」を出力し、それ以外では０を出力する。論理積部１６ａは、比較部２５からの出力と運転指令とを取り込み、比較部１５からの出力値が「１」であり、かつ、運転指令が「１」（オン）のときに、スイッチング回路４をオンさせるスタート信号ＧＳＴＤ「１」を出力する。また、論理積部１６ａは、運転指令が「０」（オフ）のとき、スイッチング回路４をオフさせるスタート信号ＧＳＴＤ「０」を出力する。
【００９１】
コンデンサ３の電圧Ｖｃがコンデンサ５の電圧Ｅｆｃ１より大きくなった場合、比較部２５の出力は０となり、スイッチング回路４のスタート信号ＧＳＴＤは１から０に変化するので、スイッチング回路４は、オフすることになる。そのことにより、不要な回生電流が架線２３に流れることがないため、不要な回生電力の発生を防ぐことができる効果がある。電流実効値演算部１９とイコール比較部１４ａ、１４ｂと論理積部１６ｂの構成は実施の形態１と同様であり、以下その説明を割愛する。
【００９２】
図７を用いて、本実施の形態にかかる電力変換装置の動作を説明する。図７の時刻ｔ１〜ｔ４までは実施の形態１と同様である。時刻ｔ４において、運転指令（ａ）がオンされたとき、論理積部１６ｂからのインバータスタート信号ＧＳＴＩ（ｃ）、（ｄ）がオンとなるので、電力変換器２ａ、２ｂがゲートオンとなる。電力変換器２ａ、２ｂが動作を開始することにより、コンデンサ３の電圧Ｖｃおよび同期機１の線間電圧は、瞬時にコンデンサ５の電圧Ｅｆｃ１にまで低下する。コンデンサ３の電圧Ｖｃおよび同期機１の線間電圧がコンデンサ５の電圧Ｅｆｃ１以下になったとき（すなわち時刻ｔ５の時点で）、論理積部１６ａから出力されるスタート信号ＧＳＴＤ（ｂ）がオンとなる。
【００９３】
以上説明したように、本実施の形態にかかる電力変換装置は、各電力変換器２が停止している間はスイッチング回路４をオフ状態に制御し、運転指令がオンされたとき各電力変換器２の動作を開始させる信号を出力し、コンデンサ３の電圧Ｖｃの値がコンデンサ５の電圧Ｅｆｃ１の値以下となったときスイッチング回路４をオン状態に制御するスイッチ開始指令部２０を備えるようにしたので、コンデンサ５の電圧Ｅｆｃ１が変動するような状況下で運転指令がオンされてもブレーキ動作が生じることなく惰行から加減速運転に移行させることが可能である。
【００９４】
また、スイッチ開始指令部２０は、同期機１と電力変換器２の間の電流が流れている状態では電力変換器２の開始動作を行わないように構成されているので、惰行による電流ｉｕ１、ｉｕ２が流れている間は電力変換器２がゲートオフされ、その結果、過電流による電力変換器２の故障を防止することが可能である。
【００９５】
また、本実施の形態によれば、実施の形態１と同様にコンデンサ３が小型化されるため、複数の同期機を駆動可能であり、かつ、従来に比して小型軽量な電力変換装置を提供することが可能である。
【００９６】
なお、実施の形態１、２に示した電力変換装置は、２台の同期機を駆動するように構成されているが、これに限定されるものではなく、例えば、３台以上の同期機を駆動するように構成してもよい。
【００９７】
なお、実施の形態１、２に示した電力変換装置は、本発明の内容の一例を示すものであり、更なる別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、一部を省略する等、変更して構成することも可能であることは無論である。
【産業上の利用可能性】
【００９８】
以上のように、本発明は、複数の同期機を駆動する電力変換装置に適用可能であり、特に、複数の同期機の無負荷誘起電圧によるブレーキ動作を抑制することができる発明として有用である。
【符号の説明】
【００９９】
１ａ、１ｂ  同期機
２ａ、２ｂ  電力変換器
３  コンデンサ（第２のコンデンサ）
４  スイッチング回路
５  コンデンサ（第１のコンデンサ）
６  直流電源
７ａ、７ｂ  速度情報検出器
８  電圧検出器
９ａ、９ｂ  制御部（第２の制御部）
１０ａ、１０ｂ  ｄｑ軸電流指令演算部
１１ａ、１１ｂ  電圧指令演算部
１２、２０  スイッチ開始指令部（第１の制御部）
１３ａ、１３ｂ  電流検出器  
１４ａ、１４ｂ  イコール比較部
１５、２５  比較部
１６ａ、１６ｂ  論理積（ＡＮＤ）部
１７ａ、１７ｂ  絶対値処理部
１８ａ、１８ｂ  一次遅れ部
１９  電流実効値演算部
２１  電圧検出器
２２  パンタグラフ
２３  架線
２４  車輪
Ｅｆｃ１  コンデンサ５の電圧
ＧＳＴＤ  スタート信号
ＧＳＴＩ  インバータスタート信号
ｉｄｃ  コンデンサ３に流れ込む電流
ｉｄ＊  ｄ軸電流指令
ｉｑ＊  ｑ軸電流指令
ｉｕ１  電力変換器２ａに流れる電流
ｉｕ２  電力変換器２ｂに流れる電流
Ｖｃ  コンデンサ３の電圧
Ｖｍｐ１ａ  同期機１ａの線間電圧のピーク値
Ｖｍｐ１ｂ  同期機１ｂの線間電圧のピーク値
Ｖｄ＊  ｄ軸電圧指令
Ｖｑ＊  ｑ軸電圧指令
Ｖｄｃ  直流電圧
ω１、ω２  モータ速度
【図１】
2011118019.tif 000023
【図２】
2011118019.tif 000024
【図３】
2011118019.tif 000025
【図４】
2011118019.tif 000026
【図５】
2011118019.tif 000027
【図６】
2011118019.tif 000028
【図７】
2011118019.tif 000029
【手続補正書】
【提出日】平成24年4月17日(2012.4.17)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の同期機に電力を供給する直流電源に並列に接続された第１のコンデンサと、
前記各同期機を駆動させる複数の電力変換器と、
前記電力変換器の直流側に並列接続された第２のコンデンサと、
前記第１のコンデンサと前記第２のコンデンサの間に直列に接続されるスイッチング回路と、
運転指令と、前記第２のコンデンサにて検出された電圧情報と、前記各同期機にて検出された電流情報とに基づいて、前記各電力変換器および前記スイッチング回路の動作を制御する第１の制御部と、
前記電圧情報と、前記各同期機にて検出されたモータ速度情報と、前記第１の制御部からの制御信号とに基づいて、前記各電力変換器を制御する第２の制御部と、
を備え、
前記第１の制御部は、前記各電力変換器が停止している間は前記スイッチング回路をオフ状態に制御し、前記運転指令がオンされたとき前記各電力変換器の動作を開始させる信号を出力し、前記電圧情報の値が所定の値以下となったとき前記スイッチング回路をオン状態に制御すること、
を特徴とする電力変換装置。
【請求項２】
前記第１の制御部は、前記運転指令がオフされたとき前記各電力変換器の動作を停止させる信号を出力することを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
【請求項３】
前記第１のコンデンサの電圧を検出する電圧検出器を備え、
前記第１の制御部は、前記各電力変換器が停止している間は前記スイッチング回路をオフ状態に制御し、前記運転指令がオンされたとき前記各電力変換器の動作を開始させる信号を出力し、前記第１のコンデンサにて検出された電圧情報の値が前記第２のコンデンサにて検出された電圧情報の値以下となったとき前記スイッチング回路をオン状態に制御することを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
【請求項４】
前記スイッチング回路は、前記電力変換器を構成するスイッチング回路と同等であることを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
【請求項５】
前記第２のコンデンサの容量は、前記第１のコンデンサの容量の１００分の１以上１０分の１以下であることを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
【請求項６】
前記第１の制御部は、鉄道車両に適用されていることを特徴とする請求項３に記載の電力変換装置。
【国際調査報告】
2011118019.tif 000030
2011118019.tif 000031
2011118019.tif 000032
2011118019.tif 000033